剪叉式高空作業平臺剪叉臂疲勞壽命分析及預測

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　　【摘 要】疲勞破壞是剪叉式高空作業平臺剪叉臂的主要失效形式之一。用有限元分析軟件建立剪叉臂的有限元模型，對其進行靜力強度分析，得出剪叉臂在服役中的應力集中區域，再通過設置監測點測試剪叉臂不同位置處的應力狀態。
　　【關鍵詞】剪叉臂；疲勞壽命；分析
　　高空作業機械是一種將操作人員舉升到高處位置進行高處作業的機械。隨著經濟的發展，高空作業機械在中國得到廣泛應用。眾多廠家紛紛以剪叉式高空作業平臺作為進入高空作業機械領域的突破口。
　　一、“平臺”的整車結構研究
　　1.工作平臺結構方案研究。工作平臺主要承載作業人員、物品器材等，既要安全可靠、防滑防水、宜人，又要操作簡便、可快速更換，主要工作附件有延伸平臺、平臺、平臺腳踏鎖、堅實耐用的控制盒、不銹鋼材質的操作面板及安全帶等。操作者的作業區域取決于工作平臺的空間大小，其結構方面應滿足國標GB/T9465-2008要求。在傳統“平臺”的基礎上，采用模塊化設計了雙向可延伸、單向可延伸和不可延伸三種工作平臺實現快速更換，以適應不同的作業區域要求，大大提高了“平臺”的適用場所。
　　2.伸展結構方案研究。伸展結構是“平臺”實現升降的主要結構，也是升降的執行結構，主要結構附件有4組剪叉臂、1個升降液壓缸、2對液壓缸支架、4個鉸鏈支座、滑塊及銷軸等。剪叉式伸展結構采用液壓缸雙鉸布置的液壓缸，工作時液壓缸活塞桿逐漸伸出，使剪叉臂的初始夾角逐漸增大，從而實現工作平臺起升到目標位置。
　　3.工作底盤結構方案研究。工作底盤主要視為“平臺”提供驅動力和舉升動力，實現自動行走、原地回轉、坑洞保護等功能，比拖車式和車載式“平臺”更加機動靈活，主要結構有坑洞保護、轉向機構、電機、整體式抽屜、蓄電池、液壓油箱及爬梯等。工作底盤的轉向系統采用了轉向液壓缸驅動平行四邊形轉向機構，可實現原地回轉，液壓助力可操控性好；坑洞保護系統是一種新型防護裝置，設置于工作底盤輪廓內部，結構緊湊提高了整車的機動靈活性，“平臺”在伸展狀態行駛到坑洞等危險場所時實現自動展開，提高了“平臺”行走在道路崎嶇不平工況時的作業安全。另外，工作底盤的蓄電池、液壓油箱、控制電路等附件采用整體抽屜結構，有效提高了工作底盤的防水性能。
　　二、剪叉臂疲勞壽命分析與預測
　　1.剪叉臂疲勞壽命分析方法。零件長時間受到脈動循環載荷的作用，其局部位置的應力仍小于極限強度，但零件的局部會產生疲勞缺陷，局部疲勞缺陷的位置會產生疲勞裂紋并逐漸擴展，直至零件突然失效并發生疲勞破壞。運用疲勞分析方法能夠預知疲勞缺陷產生的位置，因此該方法也是用來評估零件疲勞壽命的基本方法。目前，通常使用以下幾種方法來估算機械零件的剩余疲勞壽命，廣泛應用的有：概率疲勞設計法、局部應力應變法、名義應力法以及損傷容限設計法。通過前文對內剪叉臂的有限元分析可知，平臺處于最低舉升位置時，剪叉臂最大應力值小于其材料的屈服強度，材料屬于彈性范圍內，因此把內剪叉臂的疲勞問題歸屬于機械高周疲勞問題，通常選用名義應力法進行疲勞壽命分析。采用名義應力法進行疲勞壽命預測估算時，以材料和零件的疲勞壽命曲線為估算依據。零件在脈動疲勞載荷下發生疲勞破壞產生裂紋直至零件失效所承受的循環應力次數為零件的疲勞壽命，用N表示。表示應力幅與斷裂時的循環次數之間關系的曲線稱為疲勞壽命曲線。其表達式為：NSm=C（1），式中：S———疲勞應力大小，MPa；N———零件的疲勞壽命，次數；m、C———材料常數。將式（1）兩邊取對數得：lgN=lgC-mlgS。（2）通過ANSYSWorkbench內置的材料屬性，可設置內剪叉臂材料的疲勞壽命曲線，見圖1
　　當零件承受的應力大于疲勞極限時，每一次循環會產生微量損傷，當損傷疊加超過材料的極限應力，零件會發生破壞。因此還需要運用疲勞累積理論來估算剪叉臂的疲勞壽命。累積理論主要包括3種形式，即Miner理論、Levy理論和Dolan理論。其中Miner理論可以線性地累計損傷結果，可在不同應力下單獨進行，具有良好的評估精度，廣泛應用于實際工況中。
　　2.剪叉臂疲勞壽命影響因素。剪叉臂材料的疲勞壽命曲線數據由各向同性材料試驗所得，因此剪叉臂結構的疲勞強度與材料的疲勞強度不同。影響剪叉臂疲勞強度的主要因素包括材料尺寸、應力集中問題、材料表面加工狀況（包括表面磨光度、表面粗糙度、表面強化度、表面腐蝕度）、載荷環境（包括載荷類型、頻率、峰值）等。在ANSYS/Workbench中可通過設置疲勞強度因子Kf來體現這些因素的影響，設置Kf=0.9。有平均應力時會產生不對稱循環應力，對機構壽命影響很大，因此需對其修正。ANSYS/Workbench可選擇修正理論有Goodman、Gerber和Soderberg理論。Goodman理論計算可用于耐久性分析，適用于本文平均應力修正，Goodman直線修正模型將平均應力為σm的循環載荷等效成幅值為σeq的對稱循環載荷，其表達式為： 式中：σa———應力幅，MPa；σb———強度極限，MPa。
　　3.剪叉臂疲勞壽命有限元分析。由有限元靜力學分析結果可知，在起升初始位置由于升降液壓缸的推力作用，此時剪叉臂上應力最大，故對剪式平臺起升瞬間進行疲勞壽命分析。平臺從最低位置運動到最高位置然后停止，在這個過程中，測試得到剪叉臂各鉸接孔表面的應力變化是脈動的，由此設置疲勞載荷為余弦載荷。在ANSYS/Workbench中載荷類型設置成常幅對稱循環載荷（FullyReversed）。確保驅動系統在正常工況下不發生故障的前提下，剪式平臺每日升降次數按50次計算，平臺設計壽命設置為20年，該剪叉式高空作業平臺的設計壽命為3.65×105次。
　　4.剪叉臂疲勞壽命結果分析。內剪叉臂的壽命云圖見圖2，數值表示在剪叉臂常幅對稱循環載荷作用下發生疲勞損傷所經歷的循環次數。由圖1可知，其無線循環壽命為1×106次。圖2中顯示其最大壽命為1×106次，剪叉臂整體都位于藍色區域，其對應壽命大于3.65×105次，故當前狀況下剪叉臂不發生疲勞破壞。圖2紅色標識處為最大疲勞損傷發生區域，最大疲勞損傷發生在剪叉臂的鉸接孔A處的中心軸上。
　　疲勞仿真計算得出剪叉臂最大應力位置發生疲勞損傷最大，損傷區域為內剪叉臂與底盤鉸接的鉸接孔處?？稍谠撐恢眉舨姹凵虾附蛹訌姲暹M行強化。
　　參考文獻：
　　[1]冉敏.剪叉式機動平臺的設計與結構優化[D].理工大學，2015：1-4.
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